采煤機截割部搖臂箱體結構優化及效果評價

徐云龍

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

煤炭是保障我國經濟穩定、快速增長的主要能源，在未來很長一段時間內其仍然在我國能源結構中占據主導地位。采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，其截割能力、裝煤能力等是衡量其性能的關鍵參數。采煤機截割部滾筒作為直接與煤層接觸的部件，由于工作面煤層、巖層的不均勻性導致其所承受的載荷處于動態變化的情況，進而導致截割部滾筒、搖臂內部齒輪等出現不規則的振動，從而影響截割部的生產效率[1]。本文將針對上述工況通過對采煤機搖臂箱體和齒輪等部件進行優化達到提升截割部動力性能的目的，提高生產效率。

1 采煤機截割現狀分析

近年來，綜采工作面的生產能力進一步提升，直接表現為采煤機的截割功率由300 kW 提升至2500 kW。采煤機在綜采工作面的工作示意圖如圖1 所示。

圖1 綜采工作面采煤機工作示意圖

由圖1 可知，采煤機主要包括截割部、行走部、中間控制箱以及滾筒等。雙滾筒采煤機中的前滾筒對采煤機頂板煤層進行截割，后滾筒對底部煤層進行截割；行走部對采煤機的行走方向和速度進行控制；中間控制箱內配置采煤機的通訊系統和控制系統，可對采煤機工作狀態進行實時采集并發出控制指令，尤其是對采煤機滾筒的高度、轉速的控制及對行走速度、行走方向的控制[2]。

截割部作為采煤機關鍵部件，其核心為多級齒輪傳動系統；同時，采煤機截割部功耗占據整機的80%以上。實踐統計表明：截割部的故障占據整機故障的46.15%，其中，截割部中以其傳動系統的故障率最高，主要表現為齒輪故障。同時，由于當前采煤機實際工況越發復雜，導致截割部所承受的負載隨機性明顯，且負載對截割部和整機的沖擊較大；截割部的搖臂作為連接滾筒與機身的樞紐，截割部的隨機強大負載會對搖臂箱體造成沖擊，從而對其內部齒輪的嚙合運行造成影響。因此，開展采煤機截割部動力性能優化是十分有必要的。

2 采煤機截割部動力性能優化

通過對采煤機變負載工況下其截割部動態特性進行仿真分析可知：

1）當負載系數從0.2 增大至1.8 時，采煤機截割部各級齒輪的嚙頻變化幅度較??；而采煤機截割部各級齒輪的嚙合齒向誤差及其載荷波動系數呈現線性關系[3]。

2）采煤機截割部搖臂的振動強度與截割部電機的轉速呈現直接相關關系，負載系數與采煤機搖臂振動強度呈現近似線性關系，隨著負載系數的增加振動強度線性增加。

2.1 截割部搖臂箱體結構優化

針對采煤機截割部搖臂箱體的優化，可從尺寸、形狀以及拓撲三個層面開展研究。具體步驟如下：通過建立的采煤機截割部搖臂箱體的拓撲優化模型對其結構進行優化，并對最終的優化結果進行評價。

2.1.1 截割部搖臂箱體拓撲優化模型的建立

為保證最終的效果，同時考慮到仿真結果的準確性，可將截割部搖臂箱體的倒角、凹槽、螺孔等位置簡化，并對有限元網格模型進行修復。針對采煤機截割部搖臂殼體的拓撲優化模型將其網格尺寸設置為65 mm。

2.1.2 定義優化問題

所謂定義優化問題為對優化模型的相關變量、目標函數和約束條件進行設置。針對采煤機截割部搖臂箱體的優化，定義的優化變量為待優化改進的區域，具體優化變量為采煤機搖臂箱體的固有頻率[4]。

目前，采煤機截割部搖臂箱體所選用材料對應的抗拉強度為770 MPa，屈服極限為370 MPa。結合采煤機截割部的實際工況，其在額定工況下對應的載荷為113.43 MPa，在極限載荷工況下對應載荷為212.8 MPa。由此可以得出，采煤機截割部搖臂箱體在額定工況下的安全系數為2.97，在極限工況下的安全系數為1.58。結合相關標準，針對其在極限工況下的安全系數一般為1.5。因此，結合采煤機截割部的實際工況將搖臂箱體優化后在極限載荷條件下不大于224MPa。

2.1.3 結果分析

在上述分析的基礎上，將建立的拓撲優化模型采用自帶的優化求解器進行仿真分析，并得出如圖2 所示的結果。

圖2 拓撲優化模型仿真結果

如圖2 所示，最低處深色代表相對密度為0.01，最高處稍淺色的相對密度為1。上述仿真結果中，相對密度值越大，說明此處位置對改變搖臂箱體極限載荷的影響越大。通過分析可知：單純改變圖中深色區域對搖臂箱體的極限載荷作用不大，即增加滾筒端的箱體厚度對本次優化無作用；改變圖中稍淺色區域對搖臂箱體的優化作用最大，即增加搖臂箱體4 條邊的材料對本次優化作用明顯[5]。

在上述分析的基礎上，對采煤機截割部搖臂箱體作出優化，優化前后的結構對比如圖3 所示。

由圖3 可以看出，對截割部搖臂箱體結構進行優化后，箱體截面矩形的4 個角面積增大，對應的搖臂4條邊的寬度減少；同時，在搖臂軸承孔布置了加強筋。考慮到搖臂滾筒箱體厚度對搖臂固有頻率不影響，為降低搖臂的質量，對應減小了搖臂滾筒段的箱體厚度。

圖3 截割部搖臂箱體優化前后對比

2.2 優化效果評價

為驗證本次拓撲優化的效果，將優化前后的截割部搖臂箱體的模型在平穩隨機載荷的工況下進行仿真對比，分別對滾筒支撐軸承孔的位移以及位移的波動情況進行對比，對比結果如表1。

表1 搖臂箱體優化效果驗證

如表1 所示，對采煤機截割部搖臂箱體結構進行優化后，在平穩隨機工況下搖臂的變形位移明顯降低，且變形位移的波動也減小。

3 結論

1）具體優化措施：減少搖臂4 條邊的寬度，在搖臂軸承孔布置了加強筋。同時，考慮到搖臂滾筒箱體厚度對搖臂固有頻率不影響，為降低搖臂的質量，對應減小了搖臂滾筒段的箱體厚度。

2）經對比，優化后搖臂箱體在同種工況下箱體的變形量降幅為38.8%，變形位移的波動降幅為38.2%。